دیافراگم صلب، دیافراگم نرم و دیافراگم نیمه صلب

 طراحی سقف و دیافراگم

دیافراگمها

کف طبقات یا دیافراگم ها نیروی جانبی طبقات را بین اجزای قائم سیستم باربر جانبی توزیع میکند.

فرضیات مدلسازی صـحیح در مورد دیافراگم ها از یک سو منجر به توزیع صحیح نیروهای جانبی بین اجزای باربر قائم میشود و از سوی دیگر در برآورد صـحیح نیروهای داخلی دیافراگم حایز اهمیت است.

جامع ترین روش تحلیلی برای برآوردن دو نیاز مذکور، مدلسازی دیافراگم ها بـه صـورت اجزای محدود همراه با بقیه ی اعضای سازه، شامل تیر، ستون و دیوار برشی در یک مدل سه بعدی کلی است. این کار منجر به تحلیل مستقیم دیافراگم ها به همراه بقیه ی سازه و تعیین واکنش های آنها شـده و مهنـدس طـراح را از مـدلسازی و تحلیـل جداگانـه ی دیافراگمها بی نیاز میسازد.

با توجه به سه بعدی و حجیم بودن مدل، این کار دقت و حساسیت بیشتری را طلب مـیکنـد. البتـه ایـن روش در تحلیلهای غیرخطی، با صرف زمان و هزینه ی بالا همراه بوده و در اغلب موارد عملـی نیسـت. بنـابراین در دیـافراگم هـای متعارفی که فاقد بازشوهای بزرگ و نزدیک به هم بوده و دارای پلان نسبتا منظمی هستند، مطلوبتر است که از روشهای ساده شده برای مدلسازی دیافراگم ها استفاده شود.

برای اعمال روشهای ساده شده در مدلسازی دیافراگم ها ابتدا باید برآورد مناسبی از سختی دیافراگم به عمل آید. دیافراگم هـا از نظر میزان سختی درون صفحه خود به سه دسته تقسیم میشوند

۱دیافراگم صلب: اگر تحت بار جانبی، حداکثر تغییر شکل افقی دیافراگم کوچکتر از نصف متوسط تغییر مکـان جـانبی نسـبی طبقه باشد، دیافراگم صلب محسوب میشود.

-۲دیافراگم نرم: اگر تحت بار جانبی حداکثر تغییر شکل افقی دیافراگم بزرگتر از دو برابر متوسط تغییر مکان جانبی نسبی طبقه باشد، دیافراگم نرم محسوب میشود.

-۳دیافراگم نیمه صلب: اگر دیافراگم نه صلب باشد و نه نرم، نیمه صلب محسوب میشود

برای دسته بندی دیافراگم ها، محاسبه ی تغییر شکل ها باید بر مبنای بار معادل استاتیکی انجـام شـود. توزیـع نیروی افقی بر روی بخشهای مختلف یک دیافراگم باید متناسب با توزیع جرم دیافراگم باشد. در صورت جابجا شدن محور سیسـتم باربر جانبی از طبقهای به طبقه ی دیگر (مانند جابجا شدن محور مهاربند از طبقه ای بـه طبقـه ی دیگـر) بایـد اثـرات نیروهـای افقـی بهوجود آمده در دیافراگم در تغییر شکل آن منظور شود.

یک روش متداول برای بهدست آوردن تغییر شکل دیافراگم ها مدلسازی آنها به صورت تیر عمیق است. در این روش دیافراگم بر روی تکیهگاه هایی که همان اجزای قائم باربر جانبی (قابهـا و دیوارهـای برشـی) هسـتند، مـدل مـیشـود. نحـوه ی انجـام ایـن مدلسازی در شکل زیر نمایش داده شده است. همانطور که در شکل دیده مـیشـود، جـان تیـر عمیـق همـان صـفحهی افقـی دیافراگم بوده و بالهای آن اجزای لبهی دیافراگم را شامل میشوند. لیکن بایـد توجـه داشـت بـه واسـطه ی بزرگـی نسـبت عـرض دیافراگم ها به دهانه ی آنها معمولا این اجزا به عنوان تیرهای عمیق محسوب شده و دیگر فرض مستوی ماندن مقاطع هنگام خمش در آنها صادق نیست. بنابراین در محاسبه ی تغییرشکل این تیرها باید علاوه بر اثر تغییرشکل های خمشـی، اثـرات تغییرشـکل هـای برشی نیز منظور شود. اینکار یا با المان بندی دیافراگم با عناصر ورق یـا بـا اسـتفاده از المـان تیـر برشـی انجـام مـیشـود.

سـختی تکیه گاه های این تیر همان سختی سیستم باربر جانبی نسبت به کف طبقه ی زیرین آن است که به روشهای متداول قابـل محاسـبه است در دیافراگم های صلب، توزیع نیرو بین اجزای مقاوم دربرابر نیروهای افقی به نسبت سـختی ایـن اجـزا انجـام مـیشـود. در ایـن صورت، مطابق روش معمول در اغلب نرم افزارهای رایانه ای میتوان برای تحلیل سازه، گرههای واقع در یک سطح را با هـم مـرتبط نمود به طوری که عملا تغییرمکانهای جانبی طبقه در صورت نبودن پیچش در کلیه ی گـره هـای آن سـطح یکسـان باشـد و یـا درصورت وجود پیچش این تغییرمکان ها با یکدیگر رابطه خطی داشته باشند

دیافراگم صلب و انعطاف‌پذیر

مطلب زیر از کانال دکتر علیرضایی@AlirezaeiChannel اقتباس شده است:
دیافراگم‌ها سیستم‌های افقی هستند که نقش انتقال بارهای زلزله به سیستم‌های مقاوم جانبی بار بر عهده دارند. همچنین نقش دیگر آنها تحمل و انتقال بارهای ثقلی نیز هست. به دلیل اندرکنش بین رفتار درون صفحه و برون صفحه، بررسی انتقال بارهای در دیافراگم‌های افقی پیچیده می‌باشد. در شکل زیر پاسخ دیافراگم‌های صلب و انعطاف پذیر در برابر بارهای جانبی نشان داده شده است.
انعطاف‌پذیری دیافراگم‌ها ناشی از نرم بودن آنها و یا سخت بودن سیستم مقاوم جانبی است. دیافراگم‌ها در سه نوع، صلب، انعطاف‌پذیر و نیمه صلب طبقه‌بندی می‌شوند. در صورتی که سختی دورن صفحه دیافراگم زیاد باشد، آن را به صورت دیافراگم صلب در نظر می‌گیرند. در دیافراگم صلب، نیروهای جانبی به نسبت سختی هر یک از عناصر مقاوم قائم، بین آنها توزیع می‌شوند. لیکن در دیافراگم انعطاف پذیر، به صورت یک تیر دو سر ساده، نیروها به نسبت سطح بارگیر جانبی آنها بین عناصر مقاوم جانبی توزیع می‌شوند. همانطور که از شکل زیر پیداست، با افزایش ارتفاع طبقه، سختی دیوارها کاسته می‌شود و بطور مشابه با افزایش طول دهانه دیافراگم، سختی دیافراگم دچار نزول می‌شود.
همانطور که پیداست، دیافراگم‌های انعطاف پذیر قادر به چرخشی که در دیافراگم‌های صلب حول مرکز سختی رخ می‌دهد، نخواهند بود. در سازه‌های واقعی، دیافراگم‌ها نه انعطاف پذیر و نه کاملاً صلب هستند و تنها برای ساده‌سازی روند تحلیل آنها را صلب یا انعطاف‌پذیر در نظر می‌گیرند. در واقع دیافراگم‌های موجود را می‌توان به صورت نیمه صلب در نظر گرفت.
 

پاسخ دیافراگم‌های صلب و انعطاف پذیر در برابر بارهای جانبی؛ توزیع نیروی جانبی (بالا) برای صلب(چپ) و انعطاف پذیر (راست) و تغییرمکان‌های دیافراگم(پایین)
 
دیافراگم‌ها را می‌توان به صورت یک تیر عمیق مانند شکل زیر در نظر گرفت. نکته بسیار مهمی را که در طراحی تیرهای عمیق باید مد نظر قرار داد این است که بسط رفتار تیرهای معمولی به تیرهای عمیق کاملا نادرست است. چرا که بررسی‌های مختلف نشان داده که رفتار ارتجاعی تیرهای بتن مسلح با رفتار تیرهای معمولی متفاوت است.
این تفاوت اساسأ به اثر تنش‌های قائم در مقطع و تغییر شکل‌های برشی در این اعضا نسبت داده می‌شود. تیر عمیق دارای تغییر شکل برشی قابل توجهی است بنابراین استفاده از نظریه خمش ساده برای پیش بینی رفتار آن نامناسب است هم چنین از آنجایی که توزیع تنش و کرنش درمقطع آن غیر خطی است بنابراین نیاز به تحلیل جداگانه‌ای برای تحلیل این تیرها می‌باشد. در این مدل‌سازی، جان تیر همان دیافراگم و بال‌ها عناصر مقاوم جانبی هستند. تحلیل دقیق دیافراگم‌های نیمه صلب بسیار پیچیده می‌باشد. معمولاً برای توزیع بارهای جانبی در دیافراگم‌های نیمه صلب آنها را به صورت تیر‌های پیوسته بر روی تکیه‌گاه‌های ارتجاعی در نظر می‌گیرند.

تشبیه دیافراگم افقی به تیر عمیق؛ توزیع نیرو(چپ) و خرابی‌های متداول(راست)
 
در بسیاری از نرم‌افزارهای تحلیل امکاناتی وجود دارد که می‌توان دیافراگم‌ها را به صورت کاملاً صلب در نظر گرفت. در این حالت تعداد درجات آزادی برای هر کف به سه کاهش می‌یابد (دو درجه آزادی انتقالی و یک درجه آزادی پیچشی). شکل زیر نمونه‌هایی از دیافراگم‌هایی را نشان می‌دهد که به سبب هندسه آنها نبایستی به صورت یکپارچه صلب در نظر گرفته شوند. در حالاتی که برخی از ستون‌ها در یک طبقه به دیافراگم کف متصل نیستند نبایستی آنها را جزو دیافراگم صلب در نظر گرفت زیرا با این مدلسازی تغییر مکان‌‌های آنها به مانند دیافراگم خواهد بود.
 

نمونه‌ای از دیافراگم‌ها که به سبب هندسه نمی‌توان آنها را صلب فرض نمود